第一次，18个碳原子连成环

2019 年 8 月 26 日 中科院物理所

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碳是宇宙中最丰富的元素之一，它能以许多不同的形式存在，这些不同的同素异形体从颜色、形状到硬度都有完全不同的性质。例如，当每个碳原子都连着3个相邻的碳原子时，它是相对柔软的石墨、石墨烯、碳纳米管和富勒烯；当每个碳原子都有4个相邻的碳原子时，它是坚硬的钻石。这些都是已经得到充分研究的碳的形式，但还有一些形式不太为人所知，例如每个碳原子只有两个相邻碳原子相连形成的环碳，就非常难以捉摸。

50多年来，这种环碳的结构一直是未知的，科学家探讨了两种可能性，一种是环中的键都有相同的长度，即都是双键；另一种是环中长键和短键交替分布，即三键和单键交替。

○ 环碳的两种可能结构。| 图片来源：Katharina Kaiser et. al / Science

但是由于它们的高反应活性，以至于研究人员很难在实际操作中将它们分离出来。之前有科学家曾制造出过一个碳环，但它们是气态的，很快就会消散。

现在，来自牛津大学和IBM研究公司的研究人员首次创造出了一个由18个碳原子构成的稳定碳环，并对其进行了清晰的成像，找到了问题的答案。在近期在《科学》杂志上，他们详细说明了这种在热力学上最稳定、最小的环碳C₁₈是如何生成的。

○ 由18个碳原子排列成环的环碳。 | 图片来源： IBM Research

环碳C₁₈是在温度仅为5开尔文的低温惰性表面上通过原子操作生成的。最初，研究人员关注的是两配位碳的线性段，希望能通过原子操纵，即用原子力显微镜（AFM）的尖端施加电压脉冲触发化学反应，探索出能创造富碳材料的可能路径。

研究人员发现，这样的线性段可以在一个有着一层非常薄的盐层（氯化钠）的铜基体上形成。由于这种盐层具有化学惰性，因此反应分子不会与盐层形成共价键。这样一来，就创造了一个能保持结构稳定的惰性表面。

在成功生成线性碳段之后，研究人员尝试在这种惰性表面上生成环碳。他们首先合成了一个环碳前体C₂₄O₆（如下图），其中有一个由18个碳原子组成的环。这种氧化碳前体呈三角形，除了18个碳原子外，它还连着6个羰基（CO），在三角形的三个角上分别聚集着两个这样的基团，增加了分子的稳定性。

○ 由左至右：前体分子C₂₄O₆、中间体C₂₂O₄、C₂₀O₂，以及最后彻底除去CO的C₁₈，底部一行显示的是原子力显微镜（AFM）的数据。| 图片来源：IBM Research

由C₂₄O₆合成C₁₈的研究始于30年前。现在，在最新的AFM的帮助下，我们终于可以看到生成物的原子细节。在新的研究中，科学家利用AFM将这种前体分子放置在薄薄的盐膜上。然后对AFM的尖端施加的电压脉冲，将CO从结构中剔除了出去。

在此过程中，它们得到了去除了2个和4个CO的中间体C₂₂O₄和C₂₀O₂。最终，得到了除去所有6个CO的环碳C₁₈。在此之前，科学家是无法在不破坏环状结构的情况下敲除所有CO的；而且在多数情况下，得到的都是C₂₂O₄和C₂₀O₂分子。

○ 环碳C₁₈：AFM数据的三维表现。上：探针到样本的距离较大；下：探针到样本的距离较小。| 图片来源：IBM Research

在寒冷的惰性表面上，这些分子非常稳定。在AFM图像中，研究人员观察到9个明亮的叶瓣排列成一个圆圈，当他们缩小探针与样本之间的距离时，发现它们变成了九边形。通过与模拟结果相比较，研究人员证实了在环碳C₁₈中，明亮的叶瓣和九边形的角表示的是三键的位置。揭示了环碳有着单键和三键交替的结构。正是这种交替被认为是产生半导体性的原因，这意味着它在电子领域或许能有很大的应用潜力。